بخشی از مقاله
چکیده
جمع کننده ها یکی از مهم ترین عناصر در مدارات دیجیتال هستند. بنابراین ارائه یک طراحی بهینه از این عنصر کمک قابل توجهی به بهبود پارامتر های خروجی این مدارات خواهد کرد. تا به حال مدارات تمام جمع کننده جدیدی با استفاده از ترانزیستور نانو لوله کربنی با اثر میدانی ارائه شده است. و هدف، کاهش مصرف توان و افزایش سرعت عملکرد می باشد. در این مقاله یک طراحی جدید از تمام جمع کننده با استفاده از ترانزیستور های نانو لوله کربنی ارائه شده است. که نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار HSPICE، بهبود قابل توجهی در پارامترهای توان و PDP نسبت به طراحی های گذشته نشان می دهد.
مقدمه
امروزه بکارگیری تکنولوژی CMOS برای ساخت ادوات نیمه هادی از جمله مدارهای دیجیتا ل بر روی تراشه های سیلیکونی با محدودیتهایی مواجه شده است. چرا که کاهش مقیاس تکنولوژی CMOS در طی سه دهه اخیر سرعت بالایی داشته است، و ممکن است به زودی به دلیل افزایش اثرات کانال کوتاه و محدودیتهای اتلاف توان به پایان برسد. بنابراین تکنولوژیهای جایگزین برای ترانزیستورهای سیلیکون در حال کشف و بررسی میباشند .یک گزینه برای ترانزیستور به منظور داشتن امکان ادامه کاهش ابعاد و برای توسعه ساختارهای جدید، ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربن میباشد Navi. - and Kavehei 2008 -
فن آوری نانو توانمندی تولید مواد ابزارها و سامانه های جدید با در دست گرفتن کنترل آنها در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص آن در مقیاس نانو میباشد. فنآوری نانو در حوزههای مختلفی از جمله دارو بیوتکنولوژی الکترونیک ارتباطات و ...کاربرد دارد. لذا استفاده از این فنآوری در کلیه دانشها باعث شده است که پژوهشها در زمینه نانو به عنوان چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد و تلاش همه جانبه علوم مختلف را می طلبد - Kavehei et al,2008
طبق قانون مور، هر 18 ماه تعداد ترانزیستورهای به کار رفته در ریزپردازنده ها دو برابر میشود که نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیکونی در آن می تواند نتیجه این قانون باشد.این نصف شدن پیام آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت کوچکتر می شد ترانزیستور سریعتر می توانست سوییچ کند و در نتیجه انرژی کمتری مصرف کند و تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه سیلیکونی جای می گرفت.
افزایش ترانزیستورها و بازدهی آنها هزینه را کاهش می دهد. بنابراین مقرون به صرفه تر بود که هر ترانزیستور تا حد امکان کوچکتر شود این کوچک سازی بالاخره متوقف میشد بنابراین برای رشد صنعت الکترونیک باید به فکر فناوریهای جایگزین بود به طوری که مشکلات گذشته را حل کرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و این فناوری نانو بود که نانو الکترونیک بنا نهاده شد - Dimitrios,2004 -
یکی از موارد مطرح در نانو تکنولوژیها، نانو لوله های کربنی است که در سال توسط S.JIJIMA با استفاده از لوله کردن صفحات گرافیکی کشف شد و به علت خصوصیات بسیار خوب خود موردتوجه بسیاری از طراحان در زمینه های مختلف قرار گرفت. و دلیل آن ابعاد بسیار کوچک ساختار منحصر به فرد و پتانسیل استفاده در بسیاری از تکنولوژیهاست. - Shoarinejad,2003 -
نانو لوله های کربنی در ساخت ترانزیستور نانو لوله کربنی اثر میدانی - CNFET - استفاده شده است، این ترانزیستور از جمله تکنولوژیهای جدید است که به خاطر تواناییهای منحصر به فردشان از جمله ابعاد خیلی کوچک، سرعت زیاد و توان مصرفی بسیار پایین و همچنین به خاطر مشابه بودن عملکردشان با CMOS ها به عنوان یک جایگزین ایده آل برای ترانزیستورهای سیلیکونی مطرح شده اند. جمع کننده ها یکی از مهم ترین عناصر در مدارات دیجیتال هستند. بنابراین ارائه یک طراحی بهینه از این عنصر کمک قابل توجهی به بهبود پارامتر های خروجی این مدارات خواهد کرد.
تا به حال مدارات تمام جمع کننده جدیدی با استفاده از ترانزیستور نانو لوله کربنی با اثر میدانی ارائه شده است. این طرحها بسته به مقدار ورودی می توانند سوئینگ کامل نباشد. با توجه به اینکه در تکنولوژی نانو کربنی، ولتاژ با قطر نانو لوله رابطه عکس دارد، با افزایش قطر می توان ولتاژ آستانه را کاهش داد که این منجر به افزایش سرعت خواهد شد.
یکی از اولین تمام جمع کننده ها یی که ارائه شده با 24 ترانزیستور است. و در شکل 1 مدار تمام جمع کننده bridge نشان داده شده، که با ٍّ ترانزیستور و به صورت متقارن طرحی شده است. تمام جمع کننده ها با 24 ترانزیستور نسبت بهٍّ تایی دارای توان مصرفی کمتری است ولی به دلیل اینکه خروجی تمام جمع کننده مدار ٍُ تایی باید منتظر خروجی بماند لذا میزان تاخیر مدار ٍُ تایی بیشتر از مدار ٍّ تایی است. در شکل 2 یکی دیگر از مدارات ارائه شده، که مدار CPL است و با ٌَ ترانزیستور پیاده سازی شده است. در این طراحی از NMOS Pass transistor استفاده شده است.
، در شکل 3 نوع دیگری از CPL ، که به عنوان DPL مطرح است نمایش داده شده است، و با ٍُ ترانزیستور طراحی شده است. مشکل مدار CPL، عدم مشاهده تمامی جریان ورودی در خروجی بود و به همین دلیل DPL با اضافه کردن ترانزیستورPMOS طراحی شد که دیگر این مشکل را نداشت. طراحی های بعدی، جمع کننده HYBRID وNCELL بودند که بر مبنای مدارات XOR/XNOR بودند.
تمام جمع کننده HYBRID که دارای ٍّ ترانزیستور بود و دارای سرعت بهتر و میزان تاخیر کمتر بود اگرچه به دلیل اضافه شدن ُ ترانزیستور دارای مقدار Power بیشتری بود. تمام جمع کننده NCELL دارای ٌُ ترانزیستور بود که سیگنال خروجی sum این مدار Full swing نبود که به خاطراستفاده از تعداد ترانزیستور کمتر - ًٌ ترانزیستور - دارای بهترین بهره وری و همچنین سطح کوچکتر بود. محدودیتهای موجود در ترانزیستور های CMOS، طراحان مدارات دیجیتال راتشویق کرد که از تکنولوژی نانولوله های کربنی برای پیاده سازی طراحی های خود استفاده کنند .
